粒子加速器：选择什么粒子进行碰撞

如果我们想要弄清楚宇宙的终极规则，第一件事就是弄清楚可以使用何种工具。对大部分粒子物理学家来说，他们通常选择使用粒子加速器。使用粒子加速器有很多考虑因素，例如我们之前文章讲过的，是考虑将两束粒子对撞在一起还是让一束粒子撞击固定靶？我们更关心碰撞能量还是碰撞次数？这些都是很重要的问题。

但还有另一个问题是，即使我们决定要将两束粒子对撞在一起，我们要使用什么粒子来制造这个粒子束？我们有很多选择，例如可以使两束电子或两束质子发生碰撞，也可以将电子束与反电子束碰撞，甚至可以将裸原子核碰撞在一起。这些选择中的每一个都是有意义的，具体取决于我们想要研究的主题。

碰撞两束电子只有在最特殊的情况下才会发生，所以我们可以忽略这种可能性。电子是一种点状粒子，内部没有任何结构、成分，这意味着当你向电子提供能量时，你就确切地知道电子所具有的能量。

相比之下，质子则是一头混乱的野兽。在最简单的模型中，质子包含三个夸克，但实际情况要复杂得多。质子不仅携带三个夸克，还含有胶子，胶子可以短暂地转化为夸克和反夸克对。质子的成分不断变化，夸克和反夸克被创造和湮灭，胶子被发射和吸收。这就是质子的悲惨事实，他们不断地改变自己的内心。

在非常高能量的碰撞中，当两个质子碰撞时，碰撞不会发生在质子本身之间，而是发生在质子的组成部分之间。基本上，一个质子的夸克、反夸克或胶子会撞击另一个质子的夸克、反夸克或胶子。但由于质子的成分不断变化，你无法提前知道任何特定的碰撞会带来什么。此外，由于成分可以来回交换能量，因此永远无法提前知道碰撞中涉及的能量。

这一切听起来可能有点令人困惑，所以让我们用一些数字来更清晰地展现。假设我们正面碰撞多个质子对，并且每个质子正好有100 个单位的能量，那么我们会期待出现什么样的碰撞？可能是一个具有3个单位能量的胶子与一个具有40个单位能量的夸克之间的碰撞，这次碰撞的总能量为 43个单位。还有可能是一个具有22个能量单位的夸克与另一个具有16个能量单位的夸克碰撞，总能量为38个单位。碰撞还可能发生在两个胶子之间，一个具有17个单位的能量，另一个具有21个单位的能量，这也是38个单位的能量。

每次碰撞都涉及随机选择的一对亚原子粒子，并且具有随机选择的能量的粒子。每次碰撞都是独一无二的，我们无法提前知道具体的碰撞是什么粒子。如果我们将其与大型强子对撞机等现代粒子加速器的碰撞率（每秒约十亿次碰撞）结合起来，那就更加混乱了。

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而电子/正电子对撞机，如果电子和正电子都有100单位的能量，那么不管碰撞多少次，它们的碰撞能量都为200单位。所以物理学家将电子/正电子对撞机称为精准手术刀，而质子/质子对撞机相当于碰撞两个垃圾桶。

那么为什么我们还要制造质子对撞机呢？有两个原因。首先，质子/质子对撞机中复杂的碰撞组合不仅是一种麻烦，也是一种希望。通过碰撞质子，我们可以探索各种能量的碰撞，也可以查看各种粒子组合的碰撞。质子/质子对撞机可以让我们或多或少地免费探索许多配置。

其次，相比之下，电子/正电子对撞机只做一件事，而且做得很好。另一方面，它也有局限性，如果你有一个能以200单位能量提供电子/正电子碰撞的加速器，你就完全错过了在149单位能量下发生的一些很酷的物理现象。因此，质子对撞机通常被认为是发现机器，而电子-正电子机器则用于精确测量。